Совместно с издательством «Альпина нон-фикшн» мы публикуем главу из книги Алана Стерна и Дэвида Гринспуна «За новыми горизонтами», рассказывающей о зарождении идеи полета на Плутон и жизни участников, занятых в обеспечении этой миссии.
Планирование пролета начинается
Чтобы начать планирование многомесячного пролета, встреча с Плутоном была разбита на несколько этапов. Пролет должен был начаться в январе 2015 г., за шесть месяцев и почти
320 млн км от Плутона. Этот этап был обозначен как «Фаза сближения 1» (Approach Phase, AP1). Главной его целью был сбор навигационной информации, чтобы нацелиться на Плутон, но также этап включал в себя измерения обстановки на орбите Плутона с использованием детекторов плазмы SWAP и PEPSSI и детектора пыли SDC. На таком большом расстоянии Плутон все еще оставался точкой. С началом «Фазы сближения 2» (Approach Phase 2, AP2) в апреле 2015 г. расстояние до Плутона должно было сократиться наполовину по сравнению с началом первого этапа. Поэтому помимо выполнения предыдущих заданий с этого момента космический аппарат уже мог разглядеть Плутон так же, как его видел с Земли космический телескоп «Хаббл». Теперь фотографии становились значительно лучше с каждой последующей неделей, поэтому первые ценные для науки наблюдения Плутона планировались на AP2.
Этап AP3 должен был начаться гораздо ближе к Плутону, в середине июня. Он продолжался всего три недели, но предусматривал тщательное фотографирование Плутона и его спутников, обращающихся вокруг планеты, а также первые наблюдения для определения химического состава Плутона и Харона и интенсивный поиск новых спутников и даже колец. После AP3 начиналось так называемое ядро (или основная часть) программы, за семь дней до максимального сближения. Этот этап продолжался еще два дня после подхода на кратчайшее расстояние. За ним следовало три фазы расхождения (Departure Phases, DP), которые должны были продолжаться до октября 2015 г.
Три фазы сближения, три фазы расхождения и основная часть пролета должны были планироваться отдельно и с разным уровнем строгости. Ближайшие к Плутону этапы следовало подготовить намного раньше, чтобы провести больше тестов, что отражало их огромную важность для общего научного результата.
Каждый из этапов пролета, в свою очередь, разбивался на некоторое количество последовательностей, каждая из которых состоит из тысяч машинных команд, необходимых, чтобы управлять космическим аппаратом, направлять его на различные цели в системе Плутона, осуществлять работу приборов и сохранять каждый блок данных. Но прежде чем программировать эти последовательности команд, группа PEP разработала более сотни методов проведения измерений, чтобы выполнить все научные цели пролета. В каждом
методе содержалась информация о том, куда нацеливается аппарат, какой прибор и с какими настройками используется, на каком расстоянии от цели, на каком накопителе данных будут сохраняться результаты, и так далее. На каждый метод назначался «куратор» — разбирающийся в данном вопросе эксперт из научной команды, ответственный за разработку. Алан настаивал на том, чтобы после разработки каждый метод тщательно проверялся командой PEP для выявления слабых мест и возможности улучшения.
Главный этап встречи с Плутоном должен был состояться, когда одновременно будут проходить и сам пролет, и максимальное сближение с планетой и всеми ее пятью спутниками. На время этой девятидневной бортовой деятельности на космический аппарат устанавливалось особое программное обеспечение под названием «Режим встречи», которое должно было предотвратить ситуацию, когда из-за проблем на борту аппарат может расстроить встречу с долгожданной целью, прекратив всю деятельность и передав на Землю сигнал о помощи. Если бы у разработчиков космических аппаратов было больше склонности к озорству, они могли бы назвать «Режим встречи» режимом «Не беспокоить!» или «Не трогай меня, я занят!».
В обычном полете, когда космический аппарат обнаруживает проблему на борту, подобную перезагрузке компьютера, описанной в главе 10, его программное обеспечение автономного полета разработано так, чтобы расставить приоритеты, устранить немедленную опасность (например, закрыть топливные клапаны, если обнаружена утечка топлива), сообщить о проблеме на Землю, а затем перейти в безопасный режим, остановив всю дальнейшую деятельность, пока из ЦУП, а «Новым горизонтам» не поступят новые инструкции. Такие ответные действия разработаны для того, чтобы не позволить космическому аппарату усугубить возникшие проблемы до того, как инженеры на Земле проанализируют их и выработают полноценное решение. Но во время максимального сближения с Плутоном этот процесс был бы контрпродуктивным, потому что, если аппарат прекратит работу, пока не придет помощь — а на таком расстоянии до Земли это займет как минимум половину суток, — будет потеряно огромное количество научных наблюдений, которые невозможно восстановить или заменить. Поэтому «Режим встречи» был разработан для того, чтобы в течение самого значительного периода экспедиции — у Плутона — решать проблемы иным способом. В этом режиме космический аппарат по-прежнему оценивал проблему, но затем просто переходил к следующему пункту в расписании, продолжая выполнять план наблюдений. Логика «Режима встречи» основывалась на том, что, находясь у Плутона, следует отдать приоритет сбору данных, а не останавливаться и ждать помощи с Земли, даже если у автоматической станции возникают какие-то проблемы. Переход в «Режим встречи» планировался со времени подачи предложения на конкурс, но никогда не реализовывался на практике. После того как началось планирование пролета, пришло время Крису Херсману и его команде разработать и создать программное обеспечение «Режима встречи».
Примерно в то же время началась и подробная разработка научного сценария пролета. Планировалось почти 500 наблюдений, при которых задействовали все семь научных приборов, имеющихся на борту космического аппарата. При этом предстояло решить около 20 отдельных сложных научных задач, поставленных командой «Новых горизонтов» и NASA.
Эти задачи включали картографирование Плутона, фотографирование всех его спутников, измерение свойств атмосферы планеты, поиск спутников и колец, измерение температуры Плутона и его спутников и многое другое. Каждое из этих 500 наблюдений должно было быть не только отдельно разработано, а затем преобразовано в последовательность машинных команд (включи этот прибор, выбери этот режим, нацель в этом направлении, сохрани данные и т. д.), но и тщательно проверено на симуляторе управления «Новыми горизонтами» (New Horizons Operations Simulator, NHOPS) — точной копии космического аппарата и его научных приборов, размещенной в Лаборатории прикладной физики.
Со всем усердием и старательностью Лесли и ее команда разработали каждое наблюдение, используя инструменты для планирования пролета — пакеты программного обеспечения, которые они создали, чтобы иметь возможность проверить все: от ожидаемого разрешения и отношения сигнала к шуму каждого отдельно взятого наблюдения до того, правильным ли является наведение приборов и как на наблюдении скажется, если аппарат отклонится от курса или если Плутон либо его спутники окажутся не совсем на тех местах, где они должны быть по математическим прогнозам.
Для того чтобы выполнять свою работу, команда PEP особенно тесно сотрудничала с двумя группами: группой управления научными операциями, которая планировала последовательности команд для всех семи научных приборов, и группой управления полетными операциями, которая планировала все действия космического аппарата от выхода на связь до сохранения информации, от контроля внутренней температуры до включения двигателей для коррекции курса. Вместе все три группы тщательно режиссировали каждый момент полетных операций во время пролета Плутона.
Кто-то мог бы подумать, что сделать это достаточно просто: нужно разместить все наблюдения по своим местам в расписании, но на самом деле требовалось гораздо более сложное и точное планирование. Все три вышеупомянутые команды играли во что-то вроде 20-мерных шахмат. Для каждого наблюдения им нужно было удостовериться, что космический аппарат во время него не выйдет из ограничений по затратам энергии, что выделено достаточно времени для маневра, чтобы повернуть «птичку» в том направлении, куда должны быть нацелены инструменты, что в бортовом накопителе информации достаточно свободного места, чтобы сохранить результаты, и так далее. Для того чтобы спланировать каждое наблюдение, требовалось учесть буквально десятки факторов. Вдобавок эти три команды должны были втиснуть в расписание резервный вариант для каждого из самых важных научных наблюдений, чтобы быть уверенными: если космический аппарат или один из приборов не сработают при критически важном сборе данных, то есть второй шанс получить ту же информацию.
Также команды стремились заложить в свои планы вероятность отказа приборов. Например, планировалось дублировать наблюдения камеры Ralph камерой LORRI, и наоборот. Также каждый прибор работал по циклу, от наблюдения к наблюдению переключаясь с основного набора электронной аппаратуры на резервный; в план даже были включены перезагрузки приборов по расписанию на случай, если какой-либо из них в какой-то момент зависнет в неподходящем режиме. Все это до мельчайших деталей должно было быть внесено в сценарий за годы до пролета, потому что маленькой команде просто не хватило бы времени сделать все это за год или два. Для команды «Новых горизонтов» обдумывание, планирование, проверка и тестирование всего плана шестимесячного пролета заняли большую часть времени в течение трех лет — с 2009 по 2012 г
Если бы кто-то так подробно и скрупулезно планировал подобные научные исследования на Земле, это выглядело бы как навязчивое невротическое состояние. Но если что-то будет неверно разработано или не полностью продумано, то другой попытки сделать это правильно не будет. Поэтому все тщательное до одержимости планирование, все проверки и перепроверки были способом удостовериться в том, что экспедиция действительно принесет пользу человечеству, исследовав Плутон и его спутники.
